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3D打印矫形器模具的可行性研究成果

来源:医疗设备商情 发布时间:2022-12-19 352
医疗与医药医疗设备合约制造服务医疗电子组件制造设备材料包装及消毒其他测试、计量、检验和校准设备及用品研发与设计服务 技术前沿
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矫形器模具通常是机加工的。这对患者和制造商来说都不是最佳方案。因此,在一个项目的进行过程中,Lehmann & Voss公司对3D打印是否是一种生态上和经济上都可行的替代方案进行了研究。

矫形器等矫形产品(图1)针对的是特定患者,因此必须单独生产。为满足特殊的人体工程学要求,还应创建各自的最佳匹配方案。因此,在对患者的3D扫描结构进行建模时,同时需要矫形技师的技术和生物力学专家的专业知识来生成表面优化的模型。总的来说,目标只有一个:为由碳纤维增强塑料(CFRP)制成的精密矫形器的生产创建成本优化且易于操作的层压标准(层压模具)。


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标题图:用于生产CFRP矫形器的3D打印层压标准(© Adviva)


这种模具的生产方式之一是用半成品材料——通常是由结构泡沫制成的方块材料进行加工(研磨)(图2)。该工序非常成熟并且在多年的实践中得到了认可,但它在经济和生态上都存在一些明显的缺点。例如,结构泡沫通常由热固性聚氨酯(PUR)制成。它们的加工并不难,但在此过程中会产生大量细小的粉尘,而这会给房间和过滤系统带来大量的清洁工作。此外,由于异物包裹(例如:CFRP预浸料加工过程中的残留物),轻粉尘会导致层压部件的质量下降。


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图1:“PowerSpring”螺旋状矫形器支持自然运动,能够帮助患者更快更好地实现自己
设定的目标( © Adviva)


更重要的是,待加工的模块必须切割成特定大小来为研磨过程做准备。因此,除了多余的粉尘,还会产生块状短料。粉尘和块状短料以及最终会被清理掉的层压模具被归为危险废弃物。这也意味着法定存储时间到期后,制造商必须确保废弃物被正确分类处理,这也是一个代价高昂的附带后果。


用PET长丝代替PUR泡沫


用长丝进行3D打印带来了理清加工链和生产链的可能。由于采用了生成程序,原则上不会产生生产废料和残留物。所用材料仅限于制造模具。同时,几乎不会对周围区域造成任何污染。因为质量下降以及费时的清洁而导致的额外成本也未产生。然而,理论上听起来不错的东西还必须在实践中令人信服——材料生产商Lehmann & Voss和矫形器制造商Adviva都赞同这一观点。在一次联合案例分析过程中,他们对3D打印模具的生产工艺进行了研究。他们选用了基于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的碳纤维增强长丝Luvocom 3F PET CF 9780 BK(图3)材料,而PET具有强度高、耐热、耐化学性等特点。


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图2:热固性结构泡沫仓库(© Adviva)


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图3:Luvocom 3F PET CF 9780长丝适用于重量轻但却坚固的部件(© Lehvoss)


由这种材料制成的模具的强度和表面硬度都具有额外的优势:该部件易于搬运,因为它不易损坏。它不仅支持不间断的层压工艺,而且为工件的运输和储存带来了好处。与工艺相关的要求——例如:在真空干燥箱中进行固化过程中的热稳定性和抗湿性都完全由打印层压模具来达成。


在模型设计过程中,材料的最小化使用已被考虑在内,因为所选3D打印材料具有高强度,即使用最低量的填充物(部件的支撑结构)也是可行的。因此,废料量更低。由于PET长丝是一种热塑性材料,因此可以单独回收再利用。部件经过研磨之后还可用于生产新的技术产品,如注塑件。如果该方法得到证实,则可在该应用中进行纯级材料回收,再利用也没有问题。

部件力学优化


除了材料之外,该研究还重点关注部件力学性能。为了检测操作性能并优化模具的压力设置, UltimakerCura软件的插件SmartSlice(由Teton Simulation公司开发)被选用。SmartSlice通过实验材料数据来分析打印FFF(熔丝制造)部件的结构性能。因此,部件构建方向、材料各向异性、负载和限制等变量都被考虑在内,包括压力设置,如:填充密度、填充模式和壳层厚度。该插件主要用于确保打印部件满足性能要求,同时将打印时间和材料消耗降至最低。


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图4:Luvocom 3F PET CF 9780长丝适用于重量轻但却坚固的部件( © Teton Simulation)


SmartSlice工作流程的第一步是从材料数据库中选择材料(Luvocom 3F PET CF 9780 BK)以及明确性能要求和应用案例。由于研磨的泡沫模具容易出现表面损坏,因此打印部件的一个重要要求是防止在搬运过程中损坏。为了确保这一点,他们规定安全系数为3.5,即部件在永久变形或断裂之前必须能够承受3.5倍的假定工作负载。针对负载和限制,锁模装置所连接的表面在模拟过程中被固定,并且模具表面被施加了三种不同的负载。


下一步研究的是哪个构建方向能够用最少的材料提供最佳的性能。这一阶段使用的是CF 9780标准打印配置文件。如图4所示,他们对三个构建方向(侧面、背面和立面)进行了测试。该软件计算出每个构建方向的最小安全系数大于3.5,说明所有部件都超过了强度规格,最终意味着部件尺寸过大。


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图5:(a)安全系数低于规定的3.5的区域(红色)、(b)改良网络、(c)显示了改良网络各
层的剖视图以及(d)显示了改良网络之外各层的剖视图 © Teton Simulation


该阶段得到的最终结果是:直立方向最好,因为它所需的打印时间和材料最少。因此,为了节省时间和材料,后续研究仅针对该方向进行。他们特意用两种壁厚和20%的填充密度(填充物)——这两个参数的推荐最小值进行了验证。结果表明,三次模拟中有两次的最小安全系数小于3.5。SmartSlice还记录了安全系数较低的区域(图5a)。结果还表明,靠近锁模杆末端的区域有断裂的可能。因此,他们在此处嵌入了一个改良网络(图5b),便于通过其他材料局部加固部件。如图5c和5d所示,部件仅在改良网络内部的各层中完全打印(100%填充)。在改良网络之外,填充密度为20 %。在后续验证过程中,该部件最终用最少的材料和打印时间满足了强度要求。


总的来说,该部件通过SmartSlice验证了约一小时,并且在打印时间和材料消耗方面经过了优化。与标准打印配置文件和Adviva每个月打印约100个模具的情况相比,该公司每年可节省约50天的打印时间和13.2千克的材料。50天的打印时间相当于每年新增70个模具的机器产量。

本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志
作者:Eric Folz,Steffan Rensinghoff


来源:荣格-《医疗设备商情》

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